2014—2018年重慶主城區大氣污染的特征及其與大氣環流之間的關系*

何慧根 唐紅玉 李永華 吳 遙 劉 博

1 重慶市氣候中心,重慶 401147

2 中國人民解放軍78092部隊,成都 610036

提 要： 采用重慶市生態環境局2014—2018年主城區空氣污染物監測數據、沙坪壩氣象站觀測數據、美國NCEP再分析數據和美國懷俄明大學的探空數據，分析了重慶主城區的空氣質量指數(AQI)、主要污染物濃度、不同程度污染日數和首要污染物的月、季、年變化特征。探討了不同污染程度日500 hPa高度場和850 hPa風場特征，分析了重污染時段垂直速度和探空條件。結果表明，重慶主城區AQI月變化呈“W”型，PM2.5、PM10和CO呈“U”型，O3呈倒“U”型。除O3濃度在盛夏最高外，其余各污染物濃度在12月和1月都較高，空氣質量也相對最差。O3濃度呈逐年上升趨勢，其他污染物濃度都呈下降趨勢，空氣質量明顯改善。PM2.5為重慶首要污染物，冬季最為明顯，PM10污染在春季有所增加，NO2污染主要出現在初春和深秋，O3污染則主要出現在盛夏。大氣污染主要出現在冬季，當歐亞中高緯地區環流形勢呈北低南高，以緯向環流為主，低層大氣受較強偏南風影響時，重慶的氣象擴散條件較差；當歐亞中高緯地區環流形勢呈北高南低，經向環流明顯時，冷空氣容易氣南下，促進大氣對流發展，有利于重慶污染物的擴散和清除。污染較重日重慶上空對流層整層存在異常的下沉運動，水汽上升輻合較弱，低層相對濕度較小。近地面逆溫層和較薄的濕層長時間維持，使大氣層結較長時間處在較穩定狀態，是重慶主城區大氣污染持續發展和維持的關鍵。

引 言

近年來，隨著我國經濟和社會的快速發展，城鎮化和工業化進程加快，城市人口迅速增長，能源大量消耗，機動車數量也呈猛增的態勢，二氧化碳、氮氧化物、臭氧和細顆粒物濃度明顯升高，大氣污染問題日益嚴重，已成為政府和社會共同面臨的嚴峻問題。大氣污染不僅影響大氣能見度，對交通安全造成影響；還降低空氣質量，影響人體健康和生態環境；而且還能直接或間接影響太陽輻射、云霧、降水等大氣的物理與化學過程，最終影響全球氣候變化(王明星和鄭循華，2005)。為控制大氣污染，改善環境質量，國內外學者相繼開展了大氣污染的相關研究，主要包括大氣污染的時空分布(李名升等，2016；李小飛等，2012)、污染物來源及污染物類型(Pui et al，2014；崔萌等，2018；李令軍等，2012)、大氣環境容量和大氣自凈能力(張天宇等，2019；朱蓉等，2018)、大氣污染與氣象條件(吳序鵬等，2018)、大氣污染的預測理論與方法(洪鐘祥和胡非，1999)等方面的研究工作。已有研究表明，除大氣污染排放以外，不利的氣象條件是導致大氣重污染的重要原因(Giorgi and Meleux，2007；王莉莉等，2010)。天氣形勢和氣象要素與污染物的排放、傳輸、擴散、干濕沉降、光化學反應等方面密切相關(王莉莉等，2010)。因此，排放源和氣象條件共同決定著大氣污染物濃度的時空分布。當大氣污染物排放達到一定程度，空氣質量就會對氣象條件非常敏感。一旦出現不利于擴散的氣象條件，就會很容易發生較重的大氣污染。準確把握大氣污染的氣象條件是預報污染事件的持續時間和強度的前提。因此，污染氣象條件預報對大氣污染治理具有重要意義，是環境氣象預報的重要內容。

國內外學者開展了一系列大氣污染與氣象條件研究。DeGaetano and Doherty(2004)研究表明美國紐約高濃度PM2.5經常出現在高溫、高濕，且風速較小的西南風氣象環境下。李令軍等(2012)將北京的重污染分為靜穩積累型、沙塵型、復合型和特殊型，秋、冬季以靜穩積累型為主。楊孝文等(2016)指出穩定的大氣環流背景場、高濕度、低風速的地面氣象條件和低而厚的逆溫層導致北京大氣層結穩定，加上特殊的地形是大氣重污染發生的主要原因。陳龍等(2016)研究表明，武漢市中度以上污染日的地面環流形勢主要為反氣旋型、東南風型、偏東風型和高壓系統控制下的偏東風型，受高壓系統或偏東風影響時，高濃度污染較易出現。何建軍等(2013)研究指出蘭州的大氣污染物濃度與邊界層高度和位溫遞減率關系較好，且NO2與氣象影響因子的相關性好于PM10。齊冰等(2012)研究表明高壓控制下大氣層結穩定，變壓很小，地面通常微風或靜風，污染物在低層空氣中容易積聚，杭州地區容易產生霾天氣。王媛林等(2017)研究表明，珠三角地區空氣污染的天氣形勢主要是高壓底部型和均壓場型，風速小及穩定的大氣層結均不利于污染物的擴散，污染物沿偏北氣流輸送到本地并積累。Yin et al(2015)研究指出東亞冬季風偏弱，環流形勢在水平方向和垂直方向上都不利于污染物的擴散，有利于華北黃淮地區冬季霾的發生，安徽省的霾日偏多(張浩等，2019)，湖北省的PM2.5濃度也隨之增加(楊浩等，2018)。以往這些研究從不同角度對不同地方的大氣污染氣象條件進行了研究，為進一步預報大氣污染事件的發生提供了思路。

重慶作為長江上游重要的工業城市，自20世紀80年代以來，一直是全國污染較重的城市之一，空氣質量問題嚴重影響了城市的經濟發展和市民的身體健康(周國兵，2018)。為了防治重慶的大氣污染，本地學者開展了一系列針對本市的空氣質量及大氣污染研究工作。滿洪喆等(2009)監測分析發現重慶主城區大氣汞濃度高于全球水平。李九彬和王建力(2013)分析了重慶2001—2011年的首要污染物和空氣污染指數(air pollution index,API)的特征。任麗紅等(2014)、劉佳等(2015)研究發現，污染日重慶PM2.5和PM10中的金屬元素主要來源于土壤風沙、施工和道路揚塵、冶金化工、汽車尾氣、燃煤燃油等。葉緹等(2008)分析了2000—2005年重慶主城區大氣混合層厚度特征及其對空氣質量的影響。楊茜等(2019)指出降水對重慶除O3外的各污染物都有不同程度的清除作用，使空氣質量變好。江文華等(2013)對主城區一次重度霾天氣過程進行了診斷分析。胡春梅等(2020)基于自組織神經網絡算法，對重慶的污染天氣過程地面氣壓場進行了分型。周國兵和王式功(2010)分析了重慶市主城區輕度污染以上的天氣特征，指出本地天氣類型主要以低壓或均壓為主，中高緯以緯向環流或西北氣流為主，天氣以陰天或陰晴相間為主，氣象要素變化呈規律性，地面24 h負變壓、正變溫，風速小。以往對重慶的污染氣象條件研究大多基于1996年的環境空氣質量標準，以個例或是某個類別的影響研究為主。

根據環境保護部門的相關規定，環境空氣質量監測在2013年以前采用的是《環境空氣質量標準》(GB3095—1996)(國家環境保護局，1996)，采用API來表征空氣質量。API由PM10、SO2和NO2的污染物指數取最大值來確定。2013年之后采用《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)(國家環境保護局，2012)，采用空氣質量指數(air quality index,AQI)來表征空氣質量(周國兵，2018)。AQI由PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等6項污染指數取最大值來確定。新的空氣質量指數由5級調整為6級，分級限制標準更加嚴格，AQI監測的污染物指標更多，對空氣質量的評價更加客觀。自2005年重慶開始實施“藍天行動”以來，主城區大氣環境質量逐漸改善。2013年根據環境保護部門統一部署，重慶主城區作為全國首批74個城市之一開始實施新的空氣質量標準。因此，目前仍然缺乏采用新標準以來重慶大氣污染的整體了解。深入研究重慶采用新標準后的大氣污染物的變化特征，揭示不同污染程度的大氣環流特征，進而有效預報污染事件的發生仍然是重慶氣象工作的緊迫任務之一。本文旨在總結近5年重慶主城區大氣污染物濃度、空氣質量指數、污染日數和首要污染物的月、季、年變化特征，討論典型的不同污染程度大氣環流形勢及重污染時段氣象探空條件的演變特征，為提前預報大氣污染提供參考，從而為大氣污染防治提供科學的決策依據。

1 數據來源及方法

本文采用重慶市生態環境局提供的2014—2018年主城區16個空氣質量自動監測站監測數據，包括顆粒物PM2.5(粒徑≤2.5 μm)、PM10(粒徑≤10 μm)、SO2、NO2、CO、O3等6項。空氣質量分指數和AQI的計算方法和空氣質量評價方法均依據相關國家環境保護標準(環境保護部，2016)。重慶主城區的各污染物濃度及AQI采用16個站平均值。

AQI為無量綱指數，CO濃度單位為mg·m-3，其他污染物濃度單位為μg·m-3。首要污染物是指AQI>50時，空氣質量指數最大的空氣污染物。若空氣質量分指數最大的污染物為兩種或兩種以上時，則并列為首要污染物。AQI對應的污染類別根據表1規定進行劃分。

表1 AQI對應的類別

文章還使用了沙坪壩氣象觀測站地面觀測數據和美國懷俄明大學的探空數據，美國NCEP的500 hPa高度場、850 hPa風場、垂直速度場等再分析數據。

2 空氣質量及大氣污染物濃度分析

2014—2018年重慶主城區月平均AQI與PM2.5和PM10的月平均濃度之間的相關系數都達0.89，與SO2、CO和NO2的相關系數分別為0.65、0.65和0.32，都通過了0.05的顯著性水平檢驗，呈顯著正相關。與O3之間的相關系數為-0.33，通過了0.05的顯著性水平檢驗，呈顯著負相關。由此可知，各污染物的濃度直接影響著重慶的空氣質量變化。

2.1 AQI及污染物濃度的年變化

從表2可知，2014—2018年重慶主城區PM2.5的年平均濃度在38.3～65.1 μg·m-3，PM10的年平均濃度在62.3～98.1 μg·m-3，兩指數5年平均濃度分別為51.1 μg·m-3和78.4 μg·m-3。PM2.5和PM10濃度呈逐年下降趨勢，分別從2014年的65.1 μg·m-3和98.1 μg·m-3下降到了2018年的38.3 μg·m-3和62.3 μg·m-3。2014—2018年AQI的年平均在50～100，空氣質量屬于良的級別，5年平均為82.2。AQI也呈明顯的下降趨勢，從2014年的96.1逐漸降低到了2018年的74.1，由此可知，重慶的“藍天行動”取得了成效，主城區的空氣質量呈逐年改善趨勢。

表2 2014—2018年重慶主城區大氣污染物濃度及AQI

2014—2018年SO2的年平均在9.0～24.2 μg·m-3，CO的年平均在0.9～1.2 mg·m-3。這兩個指數的5年平均分別為14.8 μg·m-3和1.0 mg·m-3，SO2和CO也呈明顯的下降趨勢，分別從2014年的24.2 μg·m-3和1.2 mg·m-3逐漸降低到了2018年的9.0 μg·m-3和0.9 mg·m-3。

2014—2018年NO2的年平均在38.5～45.6 μg·m-3，O3的年平均在61.8～75.5 μg·m-3。這兩個指數的5年平均分別為43.4 μg·m-3和68.5 μg·m-3。NO2呈先上升后下降的趨勢，O3則為逐年上升的趨勢。

綜合以上分析，2014—2018年重慶主城區的PM2.5、PM10、AQI、SO2、CO呈逐年下降的趨勢，NO2呈先上升后下降的趨勢，O3則為逐年上升的趨勢。總體而言，空氣質量為良，部分污染物濃度有所下降，空氣質量改善明顯。

2.2 AQI指數及污染物濃度的月和季變化

從圖1可知，重慶主城區AQI的月平均值為82.2，空氣質量處在良的范圍。AQI的月變化呈“W”型，即1月最高，達127.3，為輕度污染的等級。2月開始AQI逐漸降低，7—8月有所增加，9月達最低后再次逐漸增加，12月再次達到峰值100.5。PM2.5和PM10的月變化呈“U”型分布特征。PM2.5在4—10月相對較低，其余月份相對較高。PM10則為6—9月相對較低，其余月份相對較高。PM2.5的月平均濃度為51.1 μg·m-3，1月最高，達95.3 μg·m-3，7月最低，僅為33.1 μg·m-3。PM10各月的濃度均較PM2.5大，月平均濃度為78.4 μg·m-3。PM10的月平均濃度1月最高，達131.4 μg·m-3，6月最低，為57.8 μg·m-3。

圖1 2014—2018年重慶主城區各月不同污染物濃度及AQI

SO2的月平均濃度為14.8 μg·m-3。1月濃度最高，達24.6 μg·m-3，6—9月的濃度均小于12 μg·m-3，其中6月最小，僅為9.5 μg·m-3。NO2各月濃度均較SO2大，NO2月平均濃度為43.4 μg·m-3。和SO2相似，NO2在1月最高，達51 μg·m-3，6—9月的月平均濃度均小于40 μg·m-3。其中7月最小，僅為34.6 μg·m-3。CO的月平均濃度為1.0 mg·m-3，月平均濃度變化和PM2.5和PM10相似，呈“U”型分布特征，1月最高，達1.4 mg·m-3，5—8月的濃度均小于1 mg·m-3，其中7月和8月最低，僅為0.8 mg·m-3。O3的月平均濃度為68.3 μg·m-3，月平均濃度變化呈倒“U”型的分布特征，4—8月濃度較高，其余月份相對較低。其中7月和8月最高，分別達122.2 μg·m-3和124 μg·m-3，12月和1月最小，分別僅為20.4 μg·m-3和24.4 μg·m-3。這與盛夏重慶日照時數多，12月和1月日照時數少有關。

綜上所述，重慶主城區AQI指數的月變化呈“W”型，12月和1月空氣質量相對較差，9月最好。PM2.5、PM10和CO的月平均濃度變化呈“U”型分布特征，O3的月平均濃度呈倒“U”型的分布特征。除O3外濃度在盛夏最高外，各污染物濃度在12月和1月都較高，空氣質量也相對最差。

從表3可知，就季節而言，AQI冬季最高，夏季次之，秋季最小，由此表明，重慶主城區空氣質量秋季最好，春季次之，冬季最差。PM2.5和PM10的季節變化略有差異，兩種污染物均為冬季最高夏季最小，PM10春季高于秋季，PM2.5則秋季略高于春季。SO2和NO2的季節變化相似，均為冬季最高，春季次之，夏季最小。CO為冬季最高，春季和秋季持平，夏季最小。O3則為夏季最高，春季次之，冬季最小。

表3 2014—2018年重慶主城區各季節污染物濃度及AQI

2.3 污染日數的年變化

從表4可知，2014—2018年重慶主城區每年都有不同程度的污染日數，輕度污染日數最多，中度污染日數次之，重度污染日數最少。2014—2018年輕度污染日數為41～64 d，5年平均為55.4 d。中度污染日數在7～37 d，5年平均為18.6 d。重度污染日數在1～18 d，5年平均為7 d。

表4 2014—2018年重慶主城區不同污染程度的日數(單位：d)

2014—2018年空氣質量為良的日數為194～238 d，5年平均為215.8 d。優的日數在52～88 d，5年平均為68.4 d。由此可知，重慶主城區空氣質量以良為主，優次之。

從逐年的變化趨勢可知，優的日數在增加，重度污染日數在減少。輕度污染、中度污染日數呈波動減少的趨勢，良的日數呈波動增加趨勢。

綜合以上分析，重慶主城區空氣質量以良為主，5年平均為215.8 d。優和輕度污染次之，年平均分別為68.4 d和55.4 d。中度污染和重度污染最少，年平均分別為18.6 d和7 d。優和良的日數呈增加趨勢，輕度污染、中度污染和重度污染日數呈減少趨勢。

2.4 污染日數的月、季變化

從圖2可知，重慶主城區各個月空氣質量為良的日數均較其他等級日數多。良的月平均日數為18 d，其中6月、9—11月的天數在18 d以上，3—5月達22.2 d以上。良的日數月際變化較大，最少的1月僅為10.4 d。3—6月和9—10月空氣質量為優的日數高于輕度污染日數，其余月份則相反。等級為優的月平均日數為5.7 d, 輕度污染的月平均日數為4.6 d。除1月中度污染平均日數為6.8 d，重度污染平均日數為5 d外，其余月份中度污染日數均在4 d以內，重度污染日數均在1 d以內，且重度污染的日數明顯少于其他等級日數。此外，2014—2018年期間，除1、2、10月和12月外，其余月份都沒有出現重度污染，3—5月均未出現中度污染。

圖2 2014—2018年重慶主城區各月不同污染程度日數

綜上所述，2014—2018年重慶主城區空氣質量以良為主，優和輕度污染次之，中度污染和重度污染日數較少，月平均優和良的總日數達23.7 d。

從表5可知，就季節而言，冬季空氣質量相對最差，優和良日數較少，相較其他季節污染日數最多。冬季輕度污染日數5年平均達21.4 d，中度污染為13.8 d，重度污染為6.6 d，優的日數僅為9.8 d。春季和秋季空氣質量相對較好，優和良的日數之和分別達83.2 d和80 d，由此可知，春季空氣質量優和良的日數多于秋季。近5年春季均未出現中度污染和重度污染。夏季輕度污染日數較春季和秋季有所增加，良的日數較春季和秋季有所減少。

表5 2014—2018年重慶主城區各季節不同污染程度日數(單位：d)

2.5 首要污染物分析

從表6可知，重慶主城區首要污染物為PM2.5。PM2.5的5年平均為147.8 d，PM10的5年平均為28.6 d。隨著重慶“藍天行動”的開展，PM2.5和PM10作為首要污染物的日數呈逐漸減少趨勢。SO2和CO均沒有作為首要污染物出現。NO2和O3呈逐年增加的趨勢。兩種以上污染物同時出現的日數5年平均為9.8 d，近年來也呈逐漸減少的趨勢。

表6 2014—2018年重慶主城區首要污染物出現日數(單位：d)

從表7可知，從11月到次年2月PM2.5作為主城區首要污染物的日數較多，5年平均都在19 d以上，最多的12月達26.2 d。3月以后PM2.5作為首要污染物的日數逐漸減少，PM10的日數逐漸增多。3—6月PM10的日數均超過了3 d，其中5月最多，達7.2 d。和PM2.5的日數相比，其他污染物作為首要污染物的日數明顯較少。NO2作為首要污染物的日數在3—4月和10—11月相對較多，為6～9 d，其余月份均相對較少。O3作為首要污染的日數則主要集中在5—8月，其中7—8月達17 d以上。

表7 2014—2018年重慶主城區各月首要污染物出現日數(單位：d)

綜上所述，PM2.5為重慶主城區的首要污染物，全年有8個月的日數較其他污染物的多，尤其是冬季最為明顯。PM10作為首要污染物的日數在春季有所增加，NO2作為首要污染物主要出現在初春和深秋。O3作為首要污染物，則主要出現在盛夏。

3 中低層大氣環流對大氣污染的影響

周國兵(2018)研究表明，大氣污染不僅取決于能源結構、交通和工業排放污染物的多少，而且與大氣環流背景及當地的局地氣象條件有著密切的聯系。大氣環流具有周期性和相似性，在相似的環流背景下，往往會出現相似的天氣現象。因此，分析典型的不同污染程度條件下的大氣環流形勢，可歸納出不同空氣質量類別的主要天氣類型，為提前預報大氣污染事件提供依據。

3.1 500 hPa高度場分析

通過以上分析可知，大氣污染主要發生在冬季。從表1可知，空氣質量為良的AQI值在51～100，輕度污染的AQI為101～150。由于輕度污染和良的日數較多，因此，分別選取2014—2018年冬季逐日AQI為良的中位數75、輕污染的中位數125的前后5位，即分別選取AQI為70～80、120～130的日子為典型良和輕度染污日。排除節日影響，共統計得出重度污染28 d，優40 d，典型輕度污染24 d，典型良28 d。重度污染、輕度污染、優和良日的500 hPa高度場合成分析結果如圖3所示。

從圖3a可知，重慶主城區出現重污染日，對流層中層歐亞中高緯環流形勢總體呈北低南高、西低東高的分布特征，烏拉爾山至貝加爾湖地區高度場均偏低，青藏高原及我國大部分地區包括四川盆地高度場偏高，東北、華北、華淮等地高度場異常偏高，東亞大槽偏弱、偏東，中緯度地區環流呈緯向分布，不利于北方冷空氣南下影響我國。

從圖3b可知，重慶主城區為輕度污染日，歐亞中高緯環流呈兩槽一脊型，烏拉爾山至巴爾喀什湖地區高度場均偏低，東亞大槽西伸明顯，但位置偏北。中緯度地區環流仍然呈緯向型分布，從青藏高原到我國大部地區高度場仍然以偏高為主。這樣的環流形勢仍然不利于冷空氣南下影響到四川盆地。

從圖3c可知，重慶主城區空氣質量為優時，歐亞中高緯環流形勢總體呈北高南低的分布特征，烏拉爾山地區受高壓脊控制，東亞大槽加強西伸，從青藏高原到我國大部地區高度場偏低。中緯度地區經向環流明顯，有利于冷空氣南下影響我國。

從圖3d可知，重慶主城區空氣質量為良時，歐亞中高緯環流形勢總體呈西高東低，烏拉爾山—巴爾喀什湖—青藏高原一帶高度場偏高較為異常，東亞大槽加強南伸，重慶地區位于脊前，此時重慶地區往往處于冷空氣過境時段，空氣質量也相對較好。

圖3 2014—2018年重慶主城區重污染日(a)、輕污染日(b)、空氣質量優日(c)、空氣質量良日(d)500 hPa高度場合成圖(陰影為距平場，等值線為平均場，單位：gpm)

綜合以上分析，當歐亞中高緯地區環流形勢呈北低南高分布，中緯度地區以緯向環流為主時，不利于冷空氣南下，重慶地區的大氣環流不利于污染物的擴散。當歐亞中高緯地區環流形勢呈北高南低，中緯度地區經向環流明顯時，冷空氣容易南下，有利于重慶地區污染物的稀釋和擴散。環流形勢呈西高東低、重慶地區處于脊前時，空氣質量也相對較好。

3.2 850 hPa風場分析

胡春梅等(2020)通過后向軌跡分析表明，重慶的污染源主要為本地污染，西北地區的輸入型氣溶膠顆粒對四川盆地的影響相對較小，較重污染通常由本地污染源和我國東部及南部的污染源共同影響。重慶由于特殊的山地城市特點，秋冬季節主要以本地累積污染為主，輸送型污染相對較少。

同樣對重度污染、輕度污染、優和良日的850 hPa風場進行合成分析，結果如圖4所示。從圖4a可知，重慶主城區重污染日大氣對流層低層南海到東海一帶存在反氣旋風場，我國南方大部地區受偏南風控制，廣西北部、貴州東部、湖南、湖北和重慶南部等地區風速較常年同期偏大。在較強的偏南風為主導風的背景下，沒有冷空氣的影響，我國大部地區天氣較好。從沙坪壩氣象站的觀測數據可知，重污染日重慶無日照、無降水。從表8可知，重污染日地面升溫最為明顯，氣壓最低，10 m平均風速為1.1 m·s-1，和輕污染日的平均風速一致，小于空氣質量為優和良日的平均風速，相對濕度平均為80.4%，高于空氣質量為良和輕度污染日的平均值，低于空氣質量為優的平均值。由此可知，當850 hPa以較強的南風為主導時，地面氣壓較小，重慶地區大氣層容易產生下沉氣流，天氣較好，地面升溫明顯，偏南風水汽含量較高，增加了本地空氣濕度。長時間低風速、無降水、高濕度的氣象條件有利于污染物的積聚，不利于污染物的擴散和清除。

從圖4b、4d和表8可知，重慶主城區輕度污染和空氣質量為良日，850 hPa從南海到東海一帶同樣存在反氣旋風場，且從南海經廣西—貴州一線的風速較小，重慶地區仍然以偏南風為主，風速較小。輕度污染和空氣質量為良日地面也有一定的升溫，地面風速也較弱，但相對濕度較低，污染物的積聚性沒有重污染日的強。

從圖4c可知，重慶主城區空氣質量為優日，華北—華淮—四川盆地一線存在反氣旋風場，四川盆地的偏北風風速較常年同期偏強，從南海經廣西—貴州一線的偏南風也較常年同期偏強。這樣的風場配置有利于冷暖空氣在重慶上空交匯，促進低層大氣的對流發展，從表8可知，空氣質量為優日，日平均降水量為2.9 mm，風速也有所加大，氣象條件有利于污染物的擴散和清除。

表8 2014—2018年重慶主城區不同污染程度日地面氣象條件

圖4 同圖3，但為850 hPa風場合成圖(陰影為距平場，單位：m·s-1)

綜合以上分析，冬季重慶地區長時間處在風速小、無降水的情況下，大氣污染物的稀釋和擴散條件較差，對流層低層受較強的偏南風影響時，高溫、高濕的氣象條件對污染物濃度有加重作用，大氣污染物的稀釋和擴散條件較差；當四川盆地受較強的偏北風影響時，冷暖空氣容易在重慶地區交匯產生降水，地面風速加大，大氣污染物的稀釋和擴散條件較好。

4 垂直結構對污染天氣的影響

4.1 垂直運動分析

大氣污染物的傳輸和擴散與大氣邊界層有直接關系(周國兵，2018)。霧-霾天氣的發生與邊界層內大氣的垂直運動分布有一定的關聯，下沉運動被認為是一種不利于污染物垂直擴散的氣象條件(廖曉農等，2014)。

從圖5a的700 hPa垂直速度場合成圖可知，重污染期間四川盆地包括重慶地區總體處在垂直速度正值區，即重慶地區處在下沉氣流控制區域，且西部地區的正距平區明顯高于東部地區。從距平可知，重污染日重慶大部地區下沉運動較常年同期偏強。

2015年1月3—4日是近幾年來重慶主城區污染最重的一次，現將此次污染過程作為典型個例，對垂直速度場進行分析，從圖5b可知，重污染期間重慶大部分時間處在正距平控制下，對流層整層存在異常的下沉運動，下沉運動的大值區位于對流層中下層。大氣層結較為穩定，不利于對流的發展，水汽上升輻合較弱，低層相對濕度較小，不利于低層云的形成和發展，從而不利于降水的產生。

圖5 2014—2018年重慶主城區重污染日700 hPa垂直速度場(a)和2015年1月3—4日垂直速度時間-高度剖面(b)(等值線，陰影，單位：Pa·s-1)

4.2 探空條件分析

對污染最重的2015年1月3日08時至4日20時的探空圖進行分析。從圖6的溫度曲線可知，從3日08時起，近地面到500 hPa存在深厚的逆溫層，20時起逆溫層厚度有所變薄，厚度從近地面到700 hPa，且一直維持到4日20時。值得關注的是，3日20時至4日20時，700～500 hPa的溫度梯度非常小。從露點溫度線可知，從3日08時地面到700 hPa存在較厚的濕層，20時地面濕度減小，近地面至700 hPa仍然存在濕層。4日08時和20時濕層明顯變薄，只在地面到850 hPa存在濕層。

圖6 2015年1月3日08時(a)、20時(b)和4日08時(c)、20時(d)的探空圖(黑色實線：溫度探空;藍色實線：露點溫度探空;紅色虛線：狀態曲線；plcl：抬升凝結高度，Tlcl：plcl處的溫度)

由此可知，在重慶主城區污染物濃度逐漸增加的過程中，從地面到對流層中下層存在深厚的逆溫層，近地面存在較厚的濕層，隨著時間的推移，逆溫層有所變薄，但對流層中下層溫度梯度仍然較小，近地面的濕層也逐漸變薄。此時大氣層結仍然比較穩定，污染物持續堆積。冬季在污染物濃度較大的情況下，近地面逆溫層和濕層從發展到長時間維持，使大氣層結較長時間處在較穩定的狀態是重慶主城區大氣污染得以持續發展和維持的關鍵。

5 結 論

綜合以上分析，得到以下結論：

(1)2014—2018年重慶主城區AQI的月變化呈“W”型，PM2.5、PM10和CO的月平均濃度變化呈“U”型，O3呈倒“U”型。除O3濃度在7月、8月最高外，各污染物濃度在12月和1月都較高，空氣質量也相對最差。PM2.5、PM10、AQI、SO2、CO呈逐年下降的趨勢，NO2呈先上升后下降趨勢，O3則為逐年上升趨勢，空氣質量呈逐年改善趨勢。

(2)2014—2018年重慶主城區空氣質量以良為主，優和輕度污染次之，中度污染和重度污染最少，優和良的日數呈增加趨勢，輕度污染、中度污染和重度污染日數呈減少趨勢。PM2.5為重慶主城區的首要污染物，冬季最為明顯；PM10作為首要污染物的日數在春季有所增加，NO2作為首要污染物主要出現在初春和深秋；O3作為首要污染主要出現在盛夏。

(3)當歐亞中高緯地區環流形勢呈北低南高分布，中緯度地區以緯向環流為主時，不利于冷空氣南下，大氣環流不利于重慶地區污染物的擴散。當歐亞中高緯地區環流形勢呈北高南低，中緯度地區經向環流明顯時，大氣環流有利于冷空氣南下，從而有利于重慶地區污染物的稀釋和擴散。冬季重慶地區長時間處在風速小、無降水的情況下，對流層低層受較強的偏南風影響時，高溫、高濕的氣象條件對污染物濃度有加重作用，大氣污染物的稀釋和擴散條件較差；當四川盆地受較強的偏北風影響時，冷暖空氣容易在重慶地區交匯產生降水，地面風速加大，大氣污染物的稀釋和擴散條件較好。

(4)重污染日重慶上空對流層整層存在異常的下沉運動，水汽上升輻合較弱，低層相對濕度較小。近地面逆溫層和濕層從發展到長時間維持，使大氣層結較長時間處在較穩定狀態是重慶主城區大氣污染得以持續發展和維持的關鍵。